Skriver i tidskriften NanoResearch, ett team vid University of Massachusetts Amherst rapporterar denna vecka att de har utvecklat bioelektroniska ammoniakgassensorer som är bland de mest känsliga som någonsin gjorts.

Sensorn använder elektriska laddningsledande proteinnanotrådar härledda från bakterien Geobacter för att tillhandahålla biomaterial för elektriska apparater. För mer än 30 år sedan, senior författare och mikrobiolog Derek Lovley upptäckte Geobacter i flodlera. Mikroberna växer hårliknande proteinfilament som fungerar som "trådar" i nanoskala för att överföra laddningar för sin näring och för att kommunicera med andra bakterier.

Första författare och doktorand i biomedicinsk teknik Alexander Smith, med sin rådgivare Jun Yao och Lovley, säga att de designade den här första sensorn för att mäta ammoniak eftersom den gasen är viktig för jordbruket, miljö och biomedicin. Till exempel, i människor, ammoniak i andningen kan signalera sjukdom, under fjäderfäuppfödning, gasen måste övervakas och kontrolleras noga för fåglarnas hälsa och komfort och för att undvika foderobalanser och produktionsförluster.

Yao säger, "Den här sensorn låter dig göra högprecisionsavkänning; den är mycket bättre än tidigare elektroniska sensorer." Smith tillägger, "Varje gång jag gör ett nytt experiment, Jag är positivt överraskad. Vi förväntade oss inte att de skulle fungera så bra som de har gjort. Jag tror verkligen att de kan ha en verklig positiv inverkan på världen."

Smith säger att befintliga elektroniska sensorer ofta har antingen begränsad eller låg känslighet, och de är benägna att störa från andra gaser. Förutom överlägsen funktion och låg kostnad, han lägger till, "Våra sensorer är biologiskt nedbrytbara så de producerar inte elektroniskt avfall, och de produceras hållbart av bakterier som använder förnybara råvaror utan behov av giftiga kemikalier."

Smith genomförde experimenten under de senaste 18 månaderna som en del av sin doktorsexamen. arbete. Det var känt från Lovleys tidigare studier att proteinnanotrådarnas konduktivitet förändrades som svar på pH - syra- eller basnivån - i lösningen runt proteinnannotrådarna. Detta fick forskarna att testa idén att de kunde vara mycket känsliga för molekylbindning för biosensing. "Om du utsätter dem för en kemikalie, egenskaperna ändras och du kan mäta responsen, " konstaterar Smith.

När han exponerade nanotrådarna för ammoniak, "responsen var verkligen märkbar och betydande, " säger Smith. "Tidigt, vi fann att vi kunde ställa in sensorerna på ett sätt som visar denna betydande respons. De är verkligen känsliga för ammoniak och mycket mindre för andra föreningar, så sensorerna kan vara mycket specifika."

Loveley tillägger, att de "mycket stabila" nanotrådarna håller länge, sensorn fungerar konsekvent och robust efter månaders användning, och fungerar så bra "det är anmärkningsvärt."

Yao säger, "De här proteinnanotrådarna är alltid fantastiska för mig. Den här nya användningen är i ett helt annat område än vi hade arbetat med tidigare." Tidigare, teamet har rapporterat att de använder protein nanotrådar för att skörda energi från fukt och använda dem som memristorer för biologisk beräkning.

Smed, som kallar sig "entreprenör, " vann förstaplatsen i UMass Amhersts 2018 Innovation Challenge för startup-affärsplanen för företaget som han bildade med Yao och Lovley, e-biologi. Forskarna har följt upp med en patentansökan, insamling, affärsutveckling och forsknings- och utvecklingsplaner.

Loveley säger, "Detta arbete är det första proof-of-concept för nanotrådssensorn. När vi väl kommer tillbaka till labbet, vi kommer att utveckla sensorer för andra föreningar. Vi arbetar på att trimma dem för en rad andra föreningar."